亚里士多德物理学模型到近代科学

[摘 要] 本文主要介绍了亚里士多德物理学模型的有关内容,阐明了模型在物理学研究中,特别是在古希腊自然哲学发展（以亚里士多德模型为代表）和近代物理学创立过程（以伽利略实验、哥白尼“日心说”为代表）中所起的作用,重点阐述这样一个问题――亚里士多德的物理学模型与近代科学的关系,即近代科学革命的进程中,古希腊的科学研究传统起着重要作用,甚至超过基督教.

[关 键 词 ] 亚里士多德 模型 抛物体运动 科学研究传统

一种观点认为,正是由于近代宗教改革以来西欧科学家的基督教信仰,导致近代科学的崛起.本文作者认为这种观点值得商榷,诚然基督教赋予当时的科学家以研究自然界的动机以及“自然有序”的观念.但本文认为,科学研究的关键在于科学研究传统的继承和发展,而这种研究传统具体来说就是重视自然原因以及在其自身框架之内使自然体系化,这些恰恰不是基督教所能带来的东西.这一研究传统的来源,究其根本源于古希腊的学术传统,特别是亚里士多德物理学模型体系的影响.

一、亚里士多德的物理学模型

科学革命之前的西方物理学发展史就是一部解决天上行星和地面物体的运动问题的历史,也就是运用理论模型的手段将观测到的现象纳入其中的过程的历史,特别是对于异常现象的解释能力,是判定一个模型是否合理的重要标准.而历史上第一个提出系统的理论模型的人便是古希腊的亚里士多德.

(一)亚里士多德模型的主要内容

首先,在亚里士多德看来：

宇宙是由天宇和地球以及充塞其间的自然诸物体（诸元素）的一个合成体系.

这宇宙的,不做任何运动而固定的中心位置,由地球占住在那里,地球积载一切有生命的事物,是芸芸万类的母亲,也就是众生的家乡.宇宙的上部各方面都有界限,最高部分称为天宇（乌朗诺）,这里是群神的居处.天宇上尽多诸神,通常,我们称这些神物为星辰,星辰们万古相续地在一个轨道上运行,和所有诸天体相共,庄严地做永恒不息的旋转

游动星（行星）共有七个,在挨次相承的环圆（轮天）上分别运行,它们秩然有序,范围值较高的（离地球较远）,比之较低（离地球较近）的,常是较大,七个行星轮天（环圆）,挨次而愈高（愈远）,最后乃总包在恒星天球（轮天）之内

从上面这段话,我们可以看到,在这个模型中,人处于一个特殊的位置――宇宙的中心,即人类被赋予了特殊的存在意义.

其次,在亚里士多德看来：

有五个元素,各作球面环圈,分占了五个层次,较小的环圈着较大的环圈――如是,地球着水,水外有气,气外有火,火外为以太――就是这样,合成了全宇宙.

即整个宇宙有火、水、土、气和以太五种物质,而地球上的所有物质都是由前四种元素构成.而且每一种元素在地球上有一个天然的位置：土就是地球,在最中间；水在土的外面,气在水的外面,火在气的外面.在火的外面就是以太了,以太构成了无边无际的太空.如果没有外力作用,这四种元素都会处在它们天然的位置,因为这是它们的本性.物体回到自己天然位置的运动就是“自然运动”；而受其他物体推动而产生的运动就是“受迫运动”.

同时,我们还需要注意到一点――亚里士多德认为“天地有别”,上天（月上世界）的东西是无生无灭、永恒不变、无限美好的；而地面（月下世界）的东西则相反,地上的东西在自由运动时是直线进行的,重的垂直向下运动,轻的垂直向上运动,由“以太”所组成的天体既不是重的又不是轻的,它们不作直线运动而遵循一定的轨道绕着一个中心作圆周运动.

(二)亚里士多德物理学模型存在的问题

然而,亚里士多德物理学模型存在着一个关键性问题,即其运动学体系中的抛物体问题.

关于抛物体的运动,这是亚里士多德整个模型体系的一块短板,也是后世许多学者费劲心思希望解决的重大问题.在亚里士多德的模型体系中,他认为整个世界除了由土、水、火、气组成的物体所进行的向上或向下的“自然运动”,在我们周围的世界还能见到非自发的运动,如马拉车的运动等,那也需要加以解释.亚里士多德把一切这样的运动都视为“受迫运动”.他指出,这一类运动总是需要一个外来推动者,由某一个人或某个东西施加某种外力去引起相关的运动,不仅如此,那个推动者还必须始终与该物体保持接触.在绝大多数情况下,亚里士多德的推动者都不难找到,他的这条原理似乎能够成立.

二、亚里士多德物理学模型的意义

具体说来,亚里士多德物理学模型的意义主要表现在下述三个方面.

首先,关于抛物体的问题,中世纪的学者为了解决这个问题而绞尽脑汁.哲学家比里当进行了深入的研究,他提出：抛物体内部被它的推动者植入了一种能代替自己的、他称之为“原推动”（impetus）的东西,由它在抛物体与一位已知的推动者脱离接触之后,为抛物体提供一种运动属性.由此可见,在比里当看来,物体运动仍然是需要有接触的,这样的观点显然没有逾越亚里士多德的体系,故而他的理论并没有根本性的突破.而另外一位最接近成功解决此问题的中世纪学者是法国的哲学家和教会医师奥雷姆,他在当时已经用数学的方法证明：一个做匀加速运动的物体所走过的距离与该物体下落时间的平方成正比.这一表述可以说是自由落体定律的前身,但可惜的是,奥雷姆只是纯粹从数学角度讨论落体问题,而从未想过把结论运用于真实世界,充其量他的研究不过是一种数学游戏而已.

其次,亚里士多德的物理学模型还是一个充满秩序富有等级的世界,在这个“地心说”的世界里,地球是宇宙的中心,其它的天体围绕着地球运动,所以,我们可以在地球上看到太阳的东升西落,月亮的阴晴圆缺.“地心说”和常识几乎完全相符,而人类处于宇宙中心的安排也让人感到满足,且与圣经的说法一致,故“地心说”在中世纪成为基督教教义的一部分,其地位牢不可破.

哥白尼的“日心说”和伽利略的自由落体定律,一个天、一个地,两者从不同的角度冲破了亚里士多德物理学模型的束缚,迎来了近代物理学的诞生.

再次,其意义还在于亚里士多德给后人提供了“梯子”――这把“梯子”的一个横档,即首次指出了寻找原因的重要性.根据他的理论,自然界有四种不同的原因,即“目的因”、“质料因”、“动力因”和“形式因”.这虽然与我们现代的“因果性”观念不一致,不过其可贵之处在于为寻求因果关系开了头.这也形成了后世的西方学者们动不动就构造因果模型的习惯.第二个横档在于首次构建了一个体系化的理论或者说构造了一个模型.无论这个理论体系或模型本身是否有漏洞,但它却给后世提供了一个研究纲领,而这个研究纲领的核心内容就是受迫运动、自然运动、地心说、天地有别等等.“寻找原因”和“构造模型”就是亚里士多德物理学模型对于后世最大的贡献,它们也是近代科学革命最重要的两个科学研究传统――重视自然原因和使自然体系化的雏形.

三、结语

综上所述,就近代科学革命兴起而言,以伽利略、哥白尼为例,其科学上巨大贡献的根本原因在于对亚里士多德物理学模型的突破,而不在其自身的宗教信仰.其实,亚里士多德物理学模型所体现的正是古希腊的科学研究传统,所以也在这里也需要回顾一下古希腊科学研究传统对近代科学革命的影响.

古希腊天体分层的概念由来已久,到毕达哥拉斯那里基本上已成定式.这样的天地结构,加之静止的地球观念,古希腊在解决行星运动问题上走过了漫长而困难的道路：必须为各个行星设计一个实体的球或者是轮子,以便最外层的恒星天将周日运动传递给内层的行星.这种设计到亚里士多德物理学模型体系那里就走到了头.在这种理论框架下解释行星运动的所有观测事实,如行星的逆留和亮度变化并考虑物理实在问题就会变得非常困难,因此古希腊天文学走向了数学化的道路,最后设计出了极其复杂的本轮-均轮几何模型,托勒密便是集大成者.

每一个进步的理论都需要有一个对立面的存在,而亚里士多德的模型恰恰就是近代科学诞生的一个对立面.没有这个对立面,空谈所谓近代科学的巨大影响是没有意义的,甚至就连近代科学本身能不能产生都会打上一个大大的问号.故本文作者认为,近代科学崛起的根本原因并非当时学者的基督教信仰,而是源于古希腊的以亚里士多德物理学为代表的学术传统.

参 考 文 献

[1][古希腊]亚里士多德.天象论宇宙论[M].吴寿彭译.北京:商务印书馆,2007.

[2][美]JE麦克莱伦第三,哈罗德多恩.世界科学技术通史[M].王鸣阳译.上海:上海世纪出版集团,2007.

[3]陈蓉霞.从泰勒斯到达尔文――科学与宗教漫谈[M].上海:上海科学普及出版社,2009.

[4]熊伟.大鱼化大鸟――读庄偶拾之四[J].科学文化评论,2010,7(5).

[5][美]罗杰斯.天文学理论的发展[M].卢央,李文华译.北京:科学出版社,1989.